基于FPGA與SD卡的圖像產(chǎn)生器設(shè)計(jì)

張麗紅（冠捷顯示科技（廈門）有限公司，福建廈門361101）

基于FPGA與SD卡的圖像產(chǎn)生器設(shè)計(jì)

張麗紅
（冠捷顯示科技（廈門）有限公司，福建廈門361101）

超高解析度圖像產(chǎn)生器用于檢測(cè)超高解析度液晶顯示器的性能和品質(zhì)。為了實(shí)現(xiàn)其便攜性和通用性，提出了一種基于FPGA與SD卡的設(shè)計(jì)方案。在檢測(cè)顯示器的質(zhì)量時(shí)需要切換各種圖像輸出，為了縮短圖像輸出的時(shí)間，采用FPGA實(shí)現(xiàn)了SD卡的SD模式。實(shí)際應(yīng)用表明，新型圖像產(chǎn)生器使用方便、數(shù)據(jù)傳輸快速可靠。

FPGA；SD卡；圖像產(chǎn)生器；SD模式；硬件描述語(yǔ)言

O 引言

隨著超高解析度液晶顯示器的發(fā)展，測(cè)量顯示屏的質(zhì)量和性能也得到了相應(yīng)的重視和關(guān)注，因此有必要研究和設(shè)計(jì)超高解析度圖像產(chǎn)生器。

目前主流的超高解析度液晶顯示器的分辨率是4K2K，即3 840×2 160。為了測(cè)試和驗(yàn)證此類顯示器的性能和品質(zhì)，要求圖像產(chǎn)生器產(chǎn)生相應(yīng)的4K2K測(cè)試圖像。此外，為了縮短多張圖像連續(xù)輸出的時(shí)間，就要求提高整個(gè)系統(tǒng)的帶寬，而系統(tǒng)的帶寬被限制在SD卡上，因此為了提高SD卡的數(shù)據(jù)傳輸帶寬，系統(tǒng)采用FPGA實(shí)現(xiàn)了SD卡的SD模式，從而使SD卡的數(shù)據(jù)傳輸帶寬達(dá)到25 MB/s。

所研制的圖像產(chǎn)生器不僅可以應(yīng)用于電視機(jī)生產(chǎn)企業(yè)，還可以應(yīng)用于電視設(shè)備的生產(chǎn)、電視維修業(yè)等領(lǐng)域，用于觀察和評(píng)價(jià)整個(gè)電視系統(tǒng)的質(zhì)量情況。

1 設(shè)計(jì)方案

圖像產(chǎn)生器提供Low Vo1tage Differentia1 Signa1ing （LVDS）和V-by-One（VBO）輸出端口，可以產(chǎn)生多種不同分辨率的信號(hào)源，時(shí)序部分嚴(yán)格遵守CEA-861標(biāo)準(zhǔn)［1］。圖像產(chǎn)生器的設(shè)計(jì)方案如圖1所示，其中SD卡作為存儲(chǔ)介質(zhì)，Doub1e Data Rate 3（DDR3）作為SD卡與輸出模塊之間的緩存器，F(xiàn)PGA芯片［2］作為主控制器，采用硬件描述語(yǔ)言［3］實(shí)現(xiàn)了整個(gè)設(shè)計(jì)的功能。

其中主控制器采用ALTERA公司的Arria5系列FPGA芯片5AGXFB3H6F35C6來(lái)完成圖像信號(hào)的產(chǎn)生及SD卡和DDR3的控制。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)采用SD卡，支持SDHC卡的High SPeed模式。數(shù)據(jù)緩存則采用8塊Nanya公司的DDR3芯片，型號(hào)是NT5CB64M16FP-DH，以解決低速SD卡數(shù)據(jù)讀取和高速圖像輸出之間的時(shí)序問(wèn)題，最后通過(guò)LVDS或者VBO發(fā)送模塊將數(shù)據(jù)輸出到超高解析度液晶顯示器上顯示。

圖1 圖像產(chǎn)生器的設(shè)計(jì)方案

2 硬件實(shí)現(xiàn)

圖像產(chǎn)生器的硬件實(shí)現(xiàn)如圖2所示，它包括與SD卡連接的4 bit SD模式控制器，與8塊DDR3連接的DDR3控制器，通過(guò)I2C接口或者按鍵板發(fā)送圖像產(chǎn)生器所需參數(shù)的參數(shù)選擇模塊，與顯示器LVDS或VBO接口相連的發(fā)送模塊，及內(nèi)部相關(guān)邏輯控制單元。

2.1 SD卡SD模式

FPGA通過(guò)發(fā)送、接收和監(jiān)測(cè)SD卡總線上的信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)SD卡的控制。SD卡的接口支持兩種操作模式，分別是SD模式和SPI模式。由于SPI模式是單線雙向模式，而SD模式支持四線雙向模式的高速數(shù)據(jù)傳輸，所以系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用了4 bit SD模式，使系統(tǒng)具有較高的速度性能。

圖2 圖像產(chǎn)生器的硬件實(shí)現(xiàn)

SD卡模塊的原理圖如圖3所示，SD卡控制器基于SD4.10技術(shù)規(guī)范［4］，用硬件語(yǔ)言進(jìn)行描述。用FPGA實(shí)現(xiàn)SD模式的SD卡控制器［5］，首先由命令收發(fā)模塊、數(shù)據(jù)收發(fā)模塊及相應(yīng)的校驗(yàn)?zāi)K和狀態(tài)控制模塊組成SD卡控制器；再使用這些模塊實(shí)現(xiàn)SD卡的卡識(shí)別模式和數(shù)據(jù)傳輸模式；最后用Mode1sim工具對(duì)卡識(shí)別模式和數(shù)據(jù)傳輸模式進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖4和圖5所示。仿真結(jié)果符合SD卡的SD模式技術(shù)規(guī)范。

2.2 DDR3緩存器

在基于FPGA的圖像處理系統(tǒng)中，常常需要用到大容量、高速度的存儲(chǔ)器。在主流的各種隨機(jī)存儲(chǔ)器件中，DDR3具有速度快、容量大、帶寬高和功耗低的優(yōu)點(diǎn)，而成為高速實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的首選方案。

為了縮短開(kāi)發(fā)周期和簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，本文采用FPGA內(nèi)部自帶的DDR3硬核控制器［6］，如圖6所示，即ALTERA公司提供的基于Ava1on總線［7］的DDR3 SDRAM控制器，其配置窗口如圖7所示。DDR3控制器的主要功能是完成對(duì)DDR3的初始化，將DDR3復(fù)雜的讀寫時(shí)序轉(zhuǎn)化成Ava1on總線的讀寫時(shí)序，發(fā)送周期性的刷新命令來(lái)維持DDR3中的數(shù)據(jù)等。

圖3 SD卡模塊的原理圖

圖4 卡識(shí)別模式的仿真結(jié)果

圖5 數(shù)據(jù)傳輸模式的仿真結(jié)果

圖6 DDR3硬核控制器的簡(jiǎn)化框圖

圖7 DDR3控制器的配置

2.3 發(fā)送模塊

LVDS是一種低壓差分信號(hào)技術(shù)接口，系統(tǒng)所采用的FPGA芯片支持高速LVDS接口，LVDS的時(shí)鐘頻率一般為74.25 MHz。LVDS發(fā)送模塊的輸入信號(hào)包含RGB數(shù)據(jù)信號(hào)、時(shí)鐘信號(hào)和控制信號(hào)三大類，LVDS有4種數(shù)據(jù)格式，分別是10 bit VESA格式、10 bit JEIDA格式、8 bit VESA格式及8 bit JEIDA格式。LVDS發(fā)送模塊可以通過(guò)調(diào)用ALTERA提供的宏功能模塊ALTLVDS_ TX和外部時(shí)鐘模塊A1tera PLL實(shí)現(xiàn)，如圖8所示。

圖8 ALTLVDS_TX和A1tera PLL的連接

早期的液晶顯示器采用LVDS標(biāo)準(zhǔn)傳輸圖像信號(hào)，之后隨著超高解析度液晶顯示器的發(fā)展，需要傳輸?shù)膱D像信號(hào)越來(lái)越多，要求傳輸速度高速化，且要解決傳輸線之間信號(hào)的時(shí)滯問(wèn)題，為此日本賽恩電子公司提出了一種新的數(shù)據(jù)傳輸方式即V-by-One HS（VBO）。

VBO是一種傳輸圖像的數(shù)字接口標(biāo)準(zhǔn)，采用一個(gè)或多個(gè)高速串行線路傳輸時(shí)鐘和數(shù)據(jù)，且時(shí)鐘是疊加在數(shù)據(jù)信號(hào)上，以共模方式傳輸，每路最高速度可達(dá)到3.75 Gb/s。系統(tǒng)所采用的FPGA芯片支持高速VBO接口，VBO發(fā)送模塊主要由打包器、擾碼器、編碼器、串行器及發(fā)送鏈路監(jiān)測(cè)模塊組成，其中串行器可以通過(guò)調(diào)用ALTERA提供的宏功能模塊Arria V Transceiver Native PHY實(shí)現(xiàn)，其配置如圖9所示。

圖9 Arria V Transceiver Native PHY的配置

3 驗(yàn)證與測(cè)試

開(kāi)發(fā)測(cè)試平臺(tái)使用的是ALTERA的Arria5系列FPGA板子。板子上有一個(gè)SD接口，用于外接SD卡。測(cè)試平臺(tái)的實(shí)物如圖10所示。板子通過(guò)16組VBO線與超高解析度液晶顯示器連接，利用顯示器對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果如圖11所示，從圖中可以看出，該設(shè)計(jì)可以正確輸出顯示器所需規(guī)格的圖像，成功點(diǎn)亮屏幕。

圖10 測(cè)試平臺(tái)

圖11 圖像產(chǎn)生器的應(yīng)用

圖12 獲取SD卡的16位RCA寄存器值

圖13 獲取DDR3初始化完成的狀態(tài)信息

在硬件調(diào)試過(guò)程中，采用Signa1TaP II嵌入式邏輯分析儀觀察內(nèi)部信號(hào)的狀態(tài)，如在SD卡的卡識(shí)別模式過(guò)程中獲取16位re1ative card address（RCA）寄存器值，如圖12所示；又如查看DDR3初始化是否完成，如圖13所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種基于FPGA與SD卡的圖像產(chǎn)生器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方案。該設(shè)計(jì)能夠?qū)D卡命令進(jìn)行自動(dòng)解析和響應(yīng)，在數(shù)據(jù)傳輸方式上采用了4 bit SD模式，有效地提高了SD卡的傳輸速率，從而提高了整個(gè)系統(tǒng)的傳輸帶寬。由于設(shè)計(jì)采用了SD卡，因此圖像產(chǎn)生器尺寸小，方便攜帶。經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證圖像產(chǎn)生器可以用于檢測(cè)各種液晶顯示器，尤其是超高解析度液晶顯示器。

［1］CEA.A DTV Profi1e for uncomPressed high sPeed digita1 interfaces［EB/OL］.（2013-06-25）［2014-10-30］.httP：//www. ce.org/.

［2］吳繼華，王誠(chéng).ALTERA FPGA/CPLD設(shè)計(jì)（高級(jí)篇）［M］.北京：人民郵電出版社，2010.

［3］夏宇聞.Veri1og數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003.

［4］SD Association.Physica1 1ayer simP1ified sPecification［EB/ OL］.（2013-01-22）［2015-10-30］.httP：//www.sdcard.org/.

［5］何丹，李樹(shù)國(guó).SD存儲(chǔ)卡接口SD模式的FPGA實(shí)現(xiàn)［J］.微電子學(xué)與計(jì)算機(jī)，2014（1）：103-106.

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［7］ALTERA.Ava1on bus sPecification reference Manua1［EB/

OL］.（2003-07）［2015-10-30］.httP：//www.a1tera.com.

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A design of image generator based on FPGA and SD card

Zhang Lihong
（TPV DisP1ay Techno1ogy（Xiamen）Co.，Ltd.，Xiamen 361101，China）

The u1tra high definition（UHD）image generator is used to check the Performance and qua1ity of UHD 1iquid crysta1 disP1ay （LCD）.In order to rea1ize the Portabi1ity and versati1ity of UHD image generator，a design of UHD image generator based on Fie1d Programmab1e Gate Array（FPGA）and Secure Digita1（SD）card is Presented.Various images are switched to outPutwhen checking the LCD qua1ity.In order to shorten the outPutting time of the image，F(xiàn)PGA is used to rea1ize the SD mode of SD card.Practica1aPP1ication shows the image generator has advantages in convenience，fast and re1iab1e data transmission.

FPGA；SD card；image generator；SD mode；hardware descriPtion 1anguage（HDL）

TN941.1；TP344

A

10.19358 /j.issn.1674-7720.2016.09.026

張麗紅.基于FPGA與SD卡的圖像產(chǎn)生器設(shè)計(jì)［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2016，35（9）：89-92.

2015-12-09）

張麗紅（1986 -），女，碩士研究生，工程師，主要研究方向：圖像處理